低压低功耗

低压低功耗（精选8篇）

低压低功耗 篇1

0 引言

随着便携式无线设备市场的迅速扩张,降低系统功耗成为射频集成电路设计的重要方向。降低电源电压作为减小电路功耗的一种常规方法,效果十分明显,但设计时必须面对输出摆幅下降、信噪比恶化,以及系统对PVT(Process,Voltage,Temperature)因素更加敏感等诸多问题[1]。

压控振荡器(VCO)作为频率合成器的关键模块,其稳定性和频谱纯度对通信收发系统的性能至关重要。如何在输出摆幅、相位噪声、调谐范围、偏置电流和功耗之间取得较好的折衷是VCO设计的最大难点。本文在总结LC VCO一般性设计方法和理论的基础上,设计了一个适用于IEEE 802.11b/g WLAN(无线局域网)通信标准的VCO。为降低功耗,该VCO采用TSMC 90nm 1.2V低电源电压工艺,仿真结果显示,在2.5GHz中心频率处,功耗仅为1.9m W,相位噪声约为-122.3d Bc/Hz@1MHz,相比其它文献的同中心频率VCO设计,功耗更低,同时具有较低的相位噪声。

1 LC VCO的基本工作原理

交叉耦合型LC VCO利用有源器件-g,不断补充LC谐振回路寄生电阻g所消耗的能量,以维持振荡。有源器件一般可用MOS对管构成的负阻实现,为确保振荡,需满足条件[2]

其中,αg为增益裕度系数,典型值取2~3。gtank为LC谐振回路等效导纳,gactive为负阻导纳,且有

交叉耦合MOS管跨导可表示为

相对单NMOS或PMOS交叉结构VCO而言,互补交叉结构VCO的输出波形更对称,噪声特性更好。因此本文选择互补交叉结构的VCO,电路拓扑结构如图1所示。根据LC振荡器基本理论,该VCO的输出频率为

其中,Ctotal为VCO的总电容值,包括固定电容Cfix、可变电容Cv,以及寄生电容Cp(电感L、交叉耦合MOS管和后级电路的寄生电容),调谐电压Vtune控制Cv,使VCO输出频率f0随Vtune的变化而变化。

2 电路设计

2.1 片上电感L的选取

相位噪声与Q值平方成反比关系[3],LC谐振回路的Q值越高,VCO相位噪声越小。片上电容的品质因数比片上电感大很多,因而LC谐振回路的品质因数主要取决于片上电感。由于片上电感和硅衬底之间存在耦合电容,能量将被耦合至衬底中,导致能量损耗,因此极大降低了片上电感的品质因数Q值[4]。片上电感Q值可通过测量电感的Y参数获得:

TSMC 90nm 1P9M 1.2V RFCMOS工艺的片上电感为铜金属八边形平面螺旋电感,制作在P型衬底上。为降低电感与衬底间的氧化层电容,减小高频损耗,通常使用工艺中最厚的顶层金属制作电感。TSMC 90nm 1P9M 1.2V RFCMOS库中的片上电感采用Ultra Thick Metal工艺,位于顶层金属M9层,共分三种类型:标准型(STD)电感、对称型电感(SYM)和带中心抽头的对称型电感(SYMCT),可调节的参数包括电感金属线宽度w、电感金属线圈数nr和电感内直径rad。为获得更高的品质因数,应取最大的金属线宽w,以减小寄生电阻。对不同规格的电感进行S参数的扫描仿真,经计算比较后,最终采用尺寸为w=15μm,nr=3,=90μm,感值L=1.43n H的SYM电感,在振荡频率2.5GHz处,其Q值约为14.9。

2.2 负阻RFMOS管的选取

RFPMOS和RFNMOS对管构成负阻单元,提供维持振荡所必须的能量。由式(1)~(3)可知,W/L必须足够大以确保起振。当时,输出波形具有最好的对称性,可有效抑制1/f噪声的上变频。由于电子的迁移率是空穴的2~3倍,故RFPMOS管和RFNMOS管的W/L比应在2~3之间。为降低振荡器功耗,并减小MOS管的寄生电容,RFNMOS管应取工艺允许的最小尺寸,即。仿真结果表明,RFPMOS管尺寸取RFNMOS管的3倍时,输出波形具有最好的对称性。

2.3 固定电容Cfix和可变电容Cv的选取

GHz范围内变化,完全覆盖IEEE 802.b/g通信标准的频率范围。

2.4 偏置电流Ibias

1/f噪声的上变频噪声对尾电流源影响最为显著[5],由于PMOS管比NMOS具有更低的1/f噪声,因此本设计采用PMOS尾电流源,PMOS管参数设置为。

电流限制区的Itail与相位噪声关系如下[6]

故Itail越大,相位噪声越低。但Itail增大到一定程度后将进入电压限制区,输出摆幅被钳制在Vlimit,对相位噪声的改善将没有任何意义。因此,Itail存在一个对应最小相位噪声的优化值,位于电流限制区与电压限制区临界处[7]。在对功耗和相位噪声进行折衷考虑后,电流源Ibias值定为1.8m A。

2.5 噪声滤除

为进一步滤除VCO输出中的高次谐波,在RFPMOS负阻管与地端之间接对称型电感Lf,其参数取值为,,。

3 仿真结果

经Mentor Graphics Eldo仿真,VCO调谐曲线如图2所示,当调谐电压由0V变化至1.2V时,VCO的输出频率从2.44GHz增大至2.59GHz。在2.5GHz中心频率处的相位噪声特性曲线如图3所示。

图2 VCO调谐曲线 (参见右栏)

VCO性能参数如表1所示。

4 结论

本文在总结VCO一般性设计方法的基础上,利用TSMC 90nm 1.2V RFCMOS工艺设计了一个全集成交叉耦合LC VCO,其满足IEEE 802.11b/g WLAN通信标准要求,较其它文献的设计具有结构简单、相位噪声低和低压、低功耗的优点,非常适用于对节电性能要求较高的便携式WLAN收发设备。

参考文献

[1]ParkD,ChoS.Designtechniquesforalow-voltageVCO with wide tuning range and low sensitivity to environmental variations[J].Transactions on Microwave Theory and Techniques.2009,57(4):767-774.

[2]HershensonMdM,HajimiriA,MohanSS,etal.Designand optimization of LC oscillators[C]//Computer-Aided Design,Digest of Technical Papers.IEEE/ACM International Conference.Nov1999:65-69.

[3]Leeson D B.ASimple model of feedback oscillator noisespectrum[J],Proceedings of the IEEE,1966,54(2):329-330.

[4]Lee T H.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits,Second Edition[M].Cambridge University Press.2004.140.

[5]HajimiriA,Lee T H.Design issues in CMOS differential LC oscillators[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits.1999,34(5):717-724.

[6]Ham D,HajimiriA.Concepts and methods in optimization of integrated LC VCOs[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits.2001,36(6):896-909.

[7]Andreani P,Sjoland H.Tail current noise suppression in RF CMOS VCOs[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits.2002,37(3):342-348.

低功耗一体机 篇2

作为一个普通老百姓，你也许并不关注哥本哈根世界气候大会的议题和协定，然而却无法逃避电影《后天》和《2012》等灾难大片带来的震撼。虽然电影采用了一种夸张的艺术表现手法，但是在一定程度上也起到了发人深省的作用——如果还不把节能减排的举措落到实处，人类早晚会受到大自然的惩罚。

近半年来，“低碳”这个词频繁地出现在我们日常的工作和生活中，各个产业也把节能环保作为明确的产品发展方向——汽车市场上新能源车和小排量车越发受到关注，家电卖场里随处可见节能变频的标志，在IT领域内，绿色低功耗也已经成为各个厂商的共识。以PC产品为例，国内市场上正在上演着一出液晶一体机抢班夺权的好戏。

在英特尔公司迅驰移动计算技术的推动下，笔记本电脑市场近几年来得到飞速发展、占有率逐年增高，到去年已经超越了台式机的市场份额。性能与主流台式机难分轩轾、价格却是以跳水的速度一路下降，于是很多用户在购买第二台PC时直接将笔记本电脑作为优先选择的对象。其实，并非每一个购买笔记本电脑的消费者都有切实的移动计算需求，很多个人用户购买笔记本电脑也是放在家里使用。只是看中了它占用空间小、节能低噪音的优点。PC／-商也看透了用户的这层心理，对于台式机的工艺设计做了大幅度的改进，从外形设计到节能环保等方面去迎合用户的需要，液晶一体机正是这种需求下的产物。

液晶一体机产品之所以如此火爆，显然是因为它的各方面特点更能迎合消费用户的需求。相对于传统结构的台式机来说，液晶一体机具有很多明显的优势：外观时尚精巧、减少了线缆的束缚，可以让桌面显得更加整洁清爽，节能环保、低噪音低功耗，体积小巧、便于移动。这些原本都是笔记本电脑相对于传统台式机而言所具备的优势，而液晶一体机具有更大的显示屏幕，适合家庭中多人共同娱乐，这又是笔记本电脑不具备的一个优势To

从功能特点来看，液晶一体机可以划分为带触摸功能和非触摸式两大类，其中H PTouchSmart Pc作为前一种的代表产品一直深受用户的青睐，特别是惠普公司专门针对触摸功能开发的软件平台更是为产品增色不少；由于微软Windows 7操作系统对触摸功能提供了更好的支持，更多的触摸式一体机产品也就应运而生了，毕竟这种功能在传统的台式电脑上是很难实现的，可以为液晶一体机带来明显的卖点，而非触摸式的产品，在硬件成本上会有一定的优势，对于液晶一体机产品的普及化能带来很大的帮助。

从硬件配置来看，目前市面上的液晶一体机存在着很大的差别。去年这一市场刚刚兴起时还不乏基于英特尔凌动平台的“上网机”，今年就已经有多款采用四核处理器的产品相继问世；去年的一体机产品大多还是采用19英寸屏幕1440×900的分辨率，今年就已经全面进入了1920×1080的高清时代。尽管液晶一体机的先天优势在于体积小、功耗低，但是一些PC厂商也希望扭转用户心目中它是低性能PC的印象，独立显卡的配置在AIO产品中已经屡见不鲜，联想的IdeaCentre B500系列甚至已经喊出了游戏PC和台式机终结者的口号。总之，目前PC厂商在推广液晶一体机时无外乎两种思想：一种是以配备四核处理器的高性能PC形象示人，认为它可以作为台式机的替代者，另一种则是以低功耗处理器的配置来充分发挥液晶一体机节能低噪音的优势。本月我们为读者遴选了四款低功耗的液晶一体机产品，分别采用了Intd Atom、Celeron、Pentium以及Core i3等不同类别的处理器，通过性能和功耗等多项测试的结果，您可以获得更直观的“能效比”概念。

如同一个影视歌三栖明星一样，华硕公司在IT领域内也是全面开花。作为一个依靠板卡类产品起家的IT厂商。如今他们在整机和外设产品线上也都取得了骄人的成绩——笔记本、台式机、显示器、光存储，无一不是各自产品线中的响亮品牌。虽然在液晶一体机市场上没有一些传统PC厂商那样大的推广动作，但是华硕从2009年初发布了第一款AIO产品之后始终也保持着对这一市场的关注和跟进。

ASUS EeeTop ET2002T是一款基于离子平台的产品，它采用Intel Atom 330处理器，在双核及超线程技术的支持下，具有不错的运算性能，同时这款产品也是低碳环保的支持者，符合能源之星5.0的规范标准。ASUS Eeetop ET2002T采用超薄机身的设计，既可以站立在桌面上，又可以悬挂在墙面上，配合屏幕触摸的功能，可以满足个人消费者或一些公共场合的多种应用需求。NVIDIA离子平台集成的显示核心不仅可以为播放高清视频提供很好的支持，而且也能满足普通3D游戏的要求，堪称是紧凑型PC的一种理想配置。除了最基本的I／O接口之外，这款产品还提供了一个HDMI输入接口，可以连接笔记本电脑满足扩展显示的需求，只是19英寸的屏幕无法满足1080P的全高清分辨率要求。

Haier乐趣Q3.1

海尔乐趣Q3l电脑采用20英寸的16：9液晶面板，标准分辨率为1600×900,如果用户希望在PC上欣赏高清视频内容，这款产品也能支持1920×1080的高清分辨率(但是在Windows桌面环境下会产生像素偏差)l同时Pentium E5300双核处理器搭配GeForce310M显示卡的硬件配置也给高清内容的播放提供了强劲的运算保证，即便是面对主流的3D游戏应用也有不错的表现。另外，乐趣Q31电脑还内置了电视调谐器，可以让它兼顾液晶电视的功能，对于单身白领而言，用一笔电脑的开支实现了电脑电视两种功能又何乐而不为呢。

相对于其它同类产品而言，海尔乐趣Q31电脑在扩展性方面的设计是它的一大优势。这款机器不仅提供了更加齐全的I／O接口——例如eSATA、HDMI输入，而且还为用户保留了一个DIMM插槽和一个Mini-PCI插槽的升级空间。同时在机身背后相应的位置上设计了易拆卸的面板，稍微具备一定硬件基础的用户即可自行完成升级扩充的操作，这对于液晶一体机这种“一次性”产品来说显然也是颇有价值的。

方正心逸T330

方正科技一向以“艺术家居电脑”的理

念来设计PC产品。此前的卓越E200台式电脑就是以一种珠圆玉润的可爱造型颠覆了PC的传统形象，这款心逸T330一体机产品同样也不例外。源自于Mini Cooper设计灵感的方正心逸T330机身曲线圆滑可爱，特别是它大胆地采用了红黑搭配的色彩，更是给整体偏于凝重的一体机市场带来强烈的视觉冲击。心逸T330屏幕顶端设计了一个可以调节角度的摄像头，由于电脑本身的俯仰角度不是很容易靠单手来调整，这种看似微不足道的设计就能给用户带来更人性化的使用感受；屏幕下方的两个旋钮设计(亮度和音量)以及左右对称的四个扬声器单元颇有些老式收音机的风格，让这款清新时尚的产品又带着一丝复古味道。

送测的这款心逸T330采用Intel Core i3330M移动型处理器，新酷睿的技术进步带给它超强的运算性能，同时移动型处理器的低功耗特点也在一体机产品上得到了充分发挥。相对于目前定位在主流市场的Pentium双核或Core 2 Duo处理器来说，同时兼顾双核及超线程技术的Core i3处理器在性能与功耗之间找到了更高的平衡点，绝对是目前低功耗平台中的最佳选择。另外，心逸T330电脑还采用了独立的GeForce 310M显示卡，配合21.5英寸的高清屏幕，用户无论是进行3D游戏娱乐还是欣赏高清视频内容，都能获得不错的体验。

方正心逸T360

如果说心逸T330走的是灵动可爱路线，那么方正心逸T360就是一种简约轻灵之美——纤薄的机身配合窄边框的设计带给人一种小巧精致的感觉，卷轴状的音箱则赋予产品一些中国风的元素。按下卷轴右侧的开关，心逸T360的屏幕就像一幅展开的画卷，将信息技术与民族艺术完美地结合在一起；卷轴的两端各有一个旋钮，左边的用于调节屏幕亮度，右边的用来控制音量(同时也是PC开关按钮)，完全不会破坏机身正面的整洁清爽形象。

低压低功耗 篇3

功耗对于集成电路的进一步发展起着至关重要的作用,尤其对于集成电路更加精密化的设计来说,如果功耗问题难以解决,那么对于更精密更微小的集成电路的研制是个非常大的阻碍。因此,对集成电路的功耗估计和降低电路功耗问题已经在各个领域中得以开展。本文在介绍了集成电路的功率损耗研究背景下,首先对低功耗技术的应用进行了诠释,进而介绍了集成电路总功耗的估计方法,最后介绍了在集成电路上进行低功耗设计的方法。

1 低功耗技术综述

系统中的功率损耗大多是由于集成电路的的工作时的功率损耗,它主要包括集成电路的供电电压,工作频率,电路性能,外部环境,接口技术等。

系统的功率效率取决于软、硬件设计决策与应用系统工作性能的匹配程度。低功耗机制并不只是针对电池供电设备的设计约束条件,它也是许多高性能有线系统的一个主要考虑因素。在嵌入式设计中使用的处理器的功耗可能只占系统总功耗预算的较小一部分,但你对系统和软件体系结构的抉择可能会对总的处理性能、功率消耗和电磁干扰(EMI)性能产生重大影响。对电池供电的系统而言,较低的总功耗可能意味着你的设计得益于更长的电池寿命,亦即能使你选用较小的电池来减少系统的体积、重量和成本。

对一些系统来说,通过降低功率的损耗可以减少系统对散热的过度依赖,这种系统通常自身不会发出很多的热量。这种系统不仅放出的热量少而且发出的噪音也会很少,这是由于这些系统对风扇散热的需求较少,因此其风扇的功率相对较小,从而使得不会发生大风扇造成过度噪音的状况。这些系统在功率达到最高点的时候功率损耗小,能够承受高功率对器件承受力的影响,从而增强系统的性能。

集成电路的功耗可以分为静态功耗和动态功耗。静态功耗是指在集成电路不工作时发生的功率损耗,尽管电路在静止状态下产生功率损耗较小,但是由于系统中电路数量庞大因此不容忽视。尤其对于长时间处于不工作状态的系统中,其静态功耗的积累变得不可忽视。静态功耗的原因是三极管PN结反向偏置产生的漏电流,在PN结上产生功率的损耗。虽然漏电流很小,但是由于集成电路中大量的反向偏置产生的漏电流的累积,有可能造成器件的发热。降低漏电流大小的方法是完善器件的工艺处理以及降低器件的供电电压,例如现在大多数器件都采用3.3V以取代传统5V供电电压。这些漏电流广泛存在于系统的核心芯片以及外围电路中,对核心芯片的主要影响是造成芯片的过度发热,可能造成工作状态的错误,对外围电路的功率损耗则会造成系统整体上的功率损耗,造成能源的浪费。动态功耗指的是电路在工作过程中产生的信号的变化引起,动态功耗与系统的供电电压,频率等有关。在长时间处于运行中的系统中动态功耗占主要部分,静态功耗可以忽略,动态功耗可以用P=CFU来进行粗略的计算,这其中C是开关电容,F为开关频率,U是电源电压。动态电容在系统中是由系统自身所影响,主要由系统的生产工艺水平造成的,当系统硬件部分已经成型后,基本不可能发生根本性的变化。而电源电压对动态功耗的影响较大,随着电源电压的提升,动态功耗呈现出直线型的提高。并且随着系统开关频率的提高,在单位时间内工作次数的增加也会造成系统动态功耗的提高。

2 集成电路功耗估计

集成电路功耗估计可以用下式表示 :

( 3-1)

其中,P为集成电路总功率的损耗,C是系统的节点电容, UDD为集成电路系统的供电电压,f为系统的工作频率,

是系统状态切换的参数,即单位周期内系统状态变化的平均次数,QSC 为每次转换过程中瞬间发生短路时电流中含有电荷的数量,Ileak 为系统开关管的漏电电流。

在公式 (3-1) 中,代表电路的工作状态发生变化时产生的功率损耗,也就是节点电容在状态变化时对电流中电荷的充放电造成的功率消耗的大小,尤其在工作状态变化频繁的工作电路中,这种由于工作状态变化产生的功率损耗占了主要的部分 ; 指的是系统发生短路时产生的功率损耗,这是由于系统发生短时的二极管或者三极管PN结瞬间导通产生的损耗,尽管这部分损耗发生的时间很短暂,但是由于短路电流很大,因此此损耗也不可忽视。指的是系统泄漏电流造成的损耗,也就是系统的静态损耗,在系统工艺水平基本固定的前提下,考虑降低系统的供电电压,尤其在长时间处在静态状态下的系统中,这种静态损耗不可忽视。由上面的分析我们可以知道,若是想降低集成电路的动态损耗,一方面可以通过降低节点电容和系统供电电压的大小、并且在不需要特别精密的计算的前提下降低系统的工作频率,另一方面可以通过降低系统节点的阈值,从而在静止状态下降低系统的静态损耗,尤其是系统泄漏电流无法很好预测和控制的前提下。通过对这些参数进行改善,可以有效地控制集成电路的功率损耗,因此低功耗集成电路的设计的根本目的是对这些参数进行有效的设计。

3 集成电路低功耗设计的策略

集成电路低功耗的设计是一个综合性的问题,需要将系统分成多个层次,大的方面分为软件和硬件层,在硬件层又可以分为多个层次,进而在系统各个层次中通过使用不同的策略降低损耗,并且各个层之间通过配合从整体上降低系统的功率损耗,从而达到提升系统性能的特点。下面介绍一些基本的低功耗设计的方式 :

(1) 尽可能的降低系统芯片或者电路的面积和性能,通过系统指令的并行运行以及模糊控制从而在软件上对性能做出弥补,从而降低由于面积过大造成的系统功率损耗 ;

(2) 在系统时钟上,关闭不使用的模块时钟,这些不参与系统正常运行的模块的时钟应该在系统初始化的时候尽可能的关闭 ;

(3) 由于可编程逻辑电路在功率损耗上要远远大于系统中专用的模块电路,因此尽可能的使用专用的电路进行功能的实现 ;

(4) 对软件算法进行优化,尤其对循环较多的算法进行优化可以降低对系统硬件的依赖 ;

(5) 开发新的集成电路产品工艺,从根本上解决由于工艺设计上的缺陷导致的电路的损耗过大。

在系统的工艺级别上,我们通过降低集成电路的体积,不仅能够对使用者来说有着更好的体验,更为系统的功耗降低加大了可能,但是这对系统实现其本来的功能提出了更高的要求。对系统集成度的增加使得系统中芯片数量减少或者数量降低,从而达到降低功耗的目的。与此同时,系统集成度的提高使得系统中线路损耗降低,进一步减少了总功耗。上述两个方法是在系统集成度提高的前提下进行的。然而对于系统的供电电压的降低仍然能够有效地降低系统功耗,然而这种降低系统工作电压的方式需要进一步研制出体积更小的电平转换电路。除了系统工作电压外,二极管阈值电压的改进也是一个新的目标。到现在,大多数集成电路的阈值电压都设定在0.7V至1.0V之间,这种高阈值的电源造成了开启功率损耗的增加。在5V的工作场合中,这种高阈值电压可以降低漏电流的消耗,从而降低静态功耗,而且在抗噪声干扰上有着独特的优势。然而在3.3V以及更低电压的工作场合中,0.7V显然已经造成了过多的功率损耗,并且在抗噪声干扰方面已经超过了限制,目前对降低二极管阈值电压的研究已经有许多研究成果。

4结论

水下低功耗浊度仪系统 篇4

当前, 我国正面临着水污染加重、生态环境恶化的窘况。据“新华网”报道:我国70%水体遭受污染, 75%的江河、湖泊遭受水体富营养化影响。污染物的排放量远远超过水环境的容量, 而水污染最直接表现之一就是水体的浑浊度。浊度仪可以检测水体的浑浊度, 因此浊度仪的研制对水体环境的监测具有重要而深远的意义。

国外浊度仪发展起步早, 技术也比较成熟, 特别是进入20世纪90年代以后, 国外的许多仪器仪表公司都推出了技术先进、性能优良的浊度仪, 目前已占据了我国主要市场。其主要代表有美国哈希公司生产的2100p型浊度仪, 德国WTW仪器公司的Turb355T355IR型便携式浊度仪, 英国ABBKent公司研制的4600型浊度仪[1,2,3]。这些浊度仪测量范围在0-1 100 NTU, 精度一般都在±2%, 测试值分辨率在0.01 NTU, 且能够长时间稳定工作, 但是其价格也是相当昂贵, 并且部分技术对我国是保密的。相对于国外来说, 国内的研究起步较晚, 其可靠性、灵敏度、稳定性相比国外同类产品也具有较大差距。国内大部分的同类产品, 其测量范围在0～1 000 NTU, 基本误差在±2.5%, 测试值分辨率在0.1 NUT左右, 且一般在水下工作时间短, 稳定性不高。

综上所知, 国内浊度仪发展虽然取得了一定的成绩, 但是与国外相比, 我国浊度仪整体水平有着明显的劣势, 其测量精度低, 工作时间短, 同时可靠性和稳定性也需要极大的提高。

基于以上原因, 基于MSP430F149[4]单片机, 本研究设计一种用于浊度测量的水下低功耗浊度仪。

1 浊度的测量原理

目前, 浊度探测方法有3大类:分光光度法、直接观测法、仪器观测法。其中分光光度法和直接观测法通过配比溶液进行浊度观测比对, 这两种方法测量精度低, 且不适合用于深海浊度检测。第3种仪器观测法按光接收方式进行分类, 可以分为透射法、散射法、透射-散射法。因为散射测量法具有高灵敏度且检测方便容易, 愈来愈适应于水下浊度的测量。其中散射浊度法按照入射光与反射光的夹角, 分为直角散射 (90°或270°) 、锐角散射 (<90°) 和钝角散射 (>90°) [5]。

本研究采用90°直角散射法作为测量原理, 其测量原理图如图1所示。

由丁锋尔效应 (Tyndall effect) 可知, 散射光强与液体的浊度成正比, 故本研究通过对散射光的测量就可以计算出浊度的大小, 即:

式中:Is—散射光强;I0—入射光强;V—每个粒子的体积;N—单位体积内粒子数目;λ—波长;L—探测器与被测样品间的距离;γ—粒子折射率;γ0—溶液折射率。

2 系统的总体电路设计

低功耗浊度仪的系统组成如图2所示。该系统由浊度信号的检测、滤波与放大、实时时钟控制、数据信号存储、信号的通讯传输等模块组成。其工作原理是:将采集到的浊度信号经过滤波和放大后, 输入到主控制器MSP430F149单片机自带的12位A/D转换模块中, 从而实现模拟信号和数字信号的转换[6]。与此同时, 主处理器将从实时时钟芯片中读取采样时间, 将上述数据编码通过SPI通讯模式储存到Flash芯片中。该系统通过控制LTC1385芯片来达到与外计算机的RS232通讯的目的, 实现采集浊度数据的任务。

系统的设计要求为该系统能够在水下连续工作20天以上, 便携轻巧, 电源供给不能使用体积过大的电池, 因此, 需要对系统进行低功耗设计, 来降低电能的消耗, 延长系统的使用时间。本研究通过硬件和软件两方面来实现对浊度仪的低功耗的设计。

2.1 硬件低功耗器件的选择

在电子元器件中, 同样功能的部件的低功耗差别却是非常大的, 经过分析比较本研究最终选取低功耗元器件, 作为系统的组成部分, 如表1所示。

2.2 软件低功耗设计

本研究所选用的浊度仪的数据采集和通信均采用中断方式, 充分发挥了芯片的休眠低功耗功能。一旦到达采集时间点, MSP430单片机将被中断, 从低功耗模式激发并开始工作, 之后单片机发出控制电平将电源芯片打开, 开始对系统供电。当完成数据采集任务后, 开关芯片和带开关功能的数字芯片将关闭, MSP430F149将进入LPM3低功耗模式, 当处于LMP3模式时, CPU中的CPU、MCLK、SMCLK、DCO模块处于休眠状态, 而ACLK模块处于活动状态。在浊度仪作为从机和主机进行RS232数据传输时, 该过程由主机发起, 浊度仪的USART模块直接接收来自主机的异步通信中断子程序, 通过这种方法降低了功耗的同时又简化了软件流程。最后当所有中断服务子程序结束时, 调用LPM3_EXIT函数, 让MSP430单片机退出低功耗模式并且再次循环, 进入主程序的处理中[7,8,9]。

3 水下低功耗浊度仪的机械壳体设计

低功耗浊度仪系统的机械壳体主要由耐压壳体、浊度探头两部分组成。其总体结构如图3所示。

1-压盖;2-探头镜片;3-光学测量探头;4-光敏二级管;5-红外发光二级管;6-圆柱筒壳体;7-MSP430主控制器;8-电池板;9-断面压盖;10-密封圈;11-六角螺栓

3.1 装置的壳体设计

系统工作于水下0～6 000 m, 抗压性和密封性则是在机械结构设计中最为重要的环节。为保证浊度仪能在高压环境下正常工作, 本研究对浊度仪的内压腔及端部进行了抗压设计, 圆柱筒壳体与两个端盖采用径向和轴向密封。壳体设计标准如表2所示。

3.1.1 壳体壁厚计算

屈服强度σ0.2=635 MPa, 取ns=2, 则[σ]s=635/2=317.5 MPa;

抗拉强度σb=1 080 MPa, 取nb=3, 则[σ]b=σb/ns≈360 MPa;

[σ]b>[σ]s, 许用应力[σ]=[σ]s=317.5 MPa, 焊接系数ε=1, 壁厚MPD/ (2[σ]ε-P) ≈6 mm, 腐蚀余量为1.5 mm, 加工余量为0.5 mm, 断面密封1 mm;

壁厚设计为M=8 mm;

耐压壳体外径D0=D+2M=54+2×8=70 mm。

3.1.2 端盖的设计

端盖厚度取平盖外径D1=100 mm。

3.1.3 壳体密封设计

本研究在探头一端采用螺纹密封, 且端面安装密封O圈。此外, 在另一端采用轴向密封方式, 端盖与腔体通过螺钉紧固, 通过端盖上的水密接插件实现电路腔与PC机的通信。

3.2 装置的探头设计

因浊度的测量采用直角散射法, 笔者在设计探头光学线路时, 让发光二极管与光敏二极管对称放置于浊度仪的两侧, 其入射光与反射光之间的夹角成90° (如图3所示) 。选材时要求要有一定的抗压能力, 且具有良好的光学性能, 本研究选择有机玻璃作为浊度仪透明窗口材料。

其化学性能为:

(1) 透光率92.8%以上;

(2) 电绝缘性能良好, 耐稀酸、碱、油脂;

(3) 软化温度大于135℃。

物理性能为:机械强度和韧性良好。

4 实验室浊度标定

本研究通过采用武汉沃特公司研制的WT-RCOT浊度仪对自制浊度仪进行了实验标定, WT-RCOT浊度仪的测量范围为0～2 000 NTU, 测量精度为2.5%。

本研究使用高岭土配置出了19种不同浊度的标准液[10], 让自制浊度仪和WT-RCOT浊度仪对标准液进行分别测量。根据标定测量数据, 并绘制出了标定曲线如图4所示。通过图4可知, 笔者所研制的浊度仪的线性度为0.993, 测量精度为2.6%。该装置能够满足精度设计指标要求。

5 钱塘江浊度测试

2012年9月25日, 笔者在钱塘江采用自制浊度仪进行了浊度测试, 测试图如图5所示, 由实验室标定可知浊度和电压成线性关系。在15:32～15:40左右系统处于待机状态, 未进入水中浊度显示较小;在15:40～15:43涨潮, 水中浊度迅速变大;在15:43～16:15, 潮水处于一波又一波的状态, 浊度的大小也在上下波动;16:15～18:35潮水慢慢退去, 泥沙也慢慢地沉淀到水底, 水中的浊度逐渐变小。

通过此次钱塘江河试, 测试结果表明, 该自制浊度仪能够用于水下浊度的现场测试。

6 结束语

基于国内浊度仪发展现状, 针对水下长时间浊度数据采集的问题, 笔者设计研制了一种水下低功耗浊度仪系统。

(1) 基于低功耗的设计原则, 笔者采用MSP430F149单片机为主控制器, 对其电路进行了精心设计, 经过分析、优化, 其电池能量足够提供系统在水下工作20天。

(2) 基于水深6 000 m的设计要求, 系统能够承受高压, 具有高的密封性能。本研究所得到的装置体积小、质量轻, 便携易用。

(3) 本研究对所研发的浊度仪系统在钱塘江进行了河试, 试验结果表明该浊度仪能够用于水下浊度的测试。

参考文献

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[5]杨建.散射光式水下在线浊度仪的研究与设计[D].上海:上海交通大学自动化系, 2007.

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低功耗智能电能表设计 篇5

1 系统硬件设计

系统硬件主要由微控制器、电源、电量测量以及外围设备组成, 具体如图1。

微控制器:系统主控制器选用超低功耗微处理器MSP430F149单片机, 采用精简指令集结构, 内部具有ESD保护, 抗干扰能力强。同时, MSP430F149采用16位总线, 寻址范围可达64K, 片内集成有1个硬件乘法器、2个16位定时器、2路USART、48个I/O口等丰富资源。

电源模块:本设计采用BQ24202型锂离子充电管理芯片对锂电池进行管理。BQ24202是单片式锂电池充电管理芯片, 内部集成最大电流可达500mA的powerFET, 具有充电状态指示功能。为实现RS485接口与电能表内部电路的电气隔离, 本设计使用了B0505LM型隔离式DC-DC电源模块及光耦PC817。B0505LM输出的5V电源单独为485通信电路供电。

电能计量:ATT7022X可以提供详细的电能参数, 如各分相参数、功率因数、相角及合相电能等。该芯片适用于三相三线和三相四线制应用, 集成了7路二阶-ADC、参考电压电路以及功率、能量、有效值、功率因数和频率测量等数字信号处理电路, 充分满足了三相多功能电能表的设计需求。

通信单元:与其它通信方式一样, 红外通信容易受到环境条件的干扰, 其干扰源主要是白炽灯光与太阳光。而采用高发射功率的红外发射管及使用带有滤光器的接收器可以大大提高通信的抗干扰能力。

时钟单元:系统选用低功耗的CMOS时钟芯片PCF8563。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务, 是一款性价比极高的时钟芯片。

显示模块:系统采用国网电表段码液晶。该液晶可对四象限有功、无功电能、各分相电压、电流、需量以及尖峰平谷等参数进行显示, 满足多功能电表的显示要求。

广播校时:为保证时钟芯片计时准确, 系统引入广播校时功能以完成自动校时。广播校时电路由收音机芯片和解码电路组成。收音机芯片采用的是飞利浦公司生产的TEA5767, 其收音频率范围为87.6MHz~108MHz, 内置调频中频选择, I2C总线控制。

显示:系统采用深圳普瑞翔电子的国网电表段码液晶。该液晶可对四象限有功、无功电能、各分相电压、电流、需量以及尖峰平谷等参数进行显示, 满足多功能电表的显示要求。

2 系统软件设计

程序上电后, 首先对系统资源进行初始化, 包括对PCF8563的时间设置, 初始化液晶显示器LCD, 对电能芯片ATT7022B的各寄存器设置, 红外及485通讯使能, 广播校时端口初始化等。

主程序中是对各种功能标识的判断, 符合则进行该项功能的设置, 例如:切换波特率、切屏显示、红外抄表、485通讯、广播校时等。目前存储电能的间隔时间为1分钟, LCD循环显示间隔约5s, 液晶主要显示当前的日期时间、电压电流, 电能及红外通讯或485通讯状态等。

接收上位机或者红外通信的抄表命令都是通过串口中断实现的, 设计中, 发送数据采用查询方式, 接收数据采用中断方式。

简易上位机抄表软件:简易抄表软件采用C++语言编写, 抄表软件目前具有密码验证功能, 能抄收三相电压、电流、三相有功功率、无功功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、电网频率、有功电能、无功电能等信息, 能修改波特率等通信参数。

3 结语

系统设计采用MSP430F149, 显示采用段码式液晶, 大大降低了系统的功耗, 编制了简易的上位机抄表软件, 通过RS485总线即可完成抄表, 系统向工业化贴近, 增加了日历时钟功能, 实现了复费率电能计量;同时增加了广播校时功能, 使得系统时钟更加精确。在线路断电后, 系统能够自动存储系统电能运行参数, 并能通过红外抄表器抄取电能数据。

摘要：以超低功耗单片机MSP430F149为控制器, 在高精度电能计量芯片ATT7022B基础上, 设计了一款三相多功能电能表。实际使用验证该电能表功耗低, 操作方便, 具有极大的推广价值。

低功耗煤矿压力监测系统设计 篇6

关键词：煤矿,压力监测,矿压传感器,低功耗,ZigBee

0 引言

在煤矿安全生产中,井下压力监测是非常重要的环节,煤矿井下压力监测系统可以及时反映井下巷道围岩压力、煤柱压力、液压支架压力的变化情况。而目前煤矿井下压力监测系统一般采用有线通信方式,具有结构复杂、传感器功耗大、数据不稳定等缺点。鉴此,本文设计了一种基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。

1 系统总体设计

低功耗煤矿压力监测系统主要由监控主机、数据采集分站、传感器节点组成[1],如图1所示。其中监控主机安装在地面监控室,用于井上工作人员监测井下各个位置的压力情况;数据采集分站安装在每个巷道的入口处,用于管理本巷道内所有传感器节点并将本巷道内所有节点数据上传到井上监控主机;矿压传感器为整个系统的最前端,用于实时采集巷道压力数据并定时回传给本节点所属采集分站,系统主要使用了矿用顶板应力传感器、煤柱应力传感器、液压支架压力传感器。

矿压传感器采集各种压力后,依次将压力数据通过ZigBee的方式传送到数据采集分站,数据采集分站将汇总的所有压力数据通过RS485总线传输到监控主机中。井下通信采用ZigBee无线传输方式,降低了各个传感器节点的功耗和组网复杂度,大大提高了传感器电池的使用寿命。同时也确保了数据的可靠安全传输,节约了成本。

2 系统硬件设计

2.1 低功耗传感器节点设计

因为井下压力传感器节点采用电池供电方式,所以采用低功耗设计方案。传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、射频模块、电源等组成,如图2所示。

(1)数据采集模块。传感器中应变片受到压力后产生形变,应变片上的电阻丝同时发生形变,电阻大小产生变化,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,然后电压信号被送到数据处理模块。

(2)数据处理模块。为了满足低功耗要求,传感器节点采用低成本、低功耗SOC芯片———CC2530作为控制核心[2]。在接收模式和发送模式下,CC2530的电流损耗分别为24mA和29mA,在睡眠模式下,CC2530消耗的电流仅为1μA;利用有效位数多达12位的ADC实现对采样数据的模数转换,并用DMA将转换结果写入存储器,从而实现数据处理功能。

(3)射频模块。系统采用ZigBee的方式进行数据传输[3],通信频率为2.4GHz,为了适应井下复杂的工作环境,保证长距离的通信以及较低的误码率,射频模块选用CC2530芯片,同时辅以低成本、高性能的射频前端模块CC2591,实现传感器节点间的无线通信,进而组成无线传感网络。

2.2 数据采集分站设计

数据采集分站负责对汇总的传感器数据进行打包,并发送给上位机,实现井下与井上数据的相互传递。数据采集分站整体结构如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 井下通信机制设计

为了适应巷道的狭长特性,设计了一种基于ZigBee的线性接力传输方式。每个传感器节点都有唯一的地址[4],数据采集分站地址为0x0000,第1个节点地址为0x0001,依此类推。所有节点完成初始化后,同时进入等待接收同步时间的状态。数据采集分站发送时间同步命令给1号节点,1号节点收到命令后,给数据采集分站返回1个应答指令,确认已经收到同步时间命令,然后按照同步指令启动本地睡眠定时器,并将时间同步命令传给2号节点;2号节点采用与1号节点相同的流程,当1号节点收到2号节点的应答信息后,转移到等待接收2号节点数据的状态;然后,2号节点将同步指令发送给3号节点,依此类推,直到最后的N号节点,因为不存在N+1 号节点,所以N号节点收不到应答信号。当发送10次同步信后若仍然无应答,则N号节点发送采集数据给N-1号节点,N-1号节点给N号节点应答信号后,N号节点进入睡眠状态。当N-1号节点收到N号节点的数据后,将自己采集的数据和N号节点的数据打包发送给N -2号节点,然后,依此类推,最后所有节点的数据都被打包发送到数据采集分站;数据采集分站将数据进行存储,完成本次通信。井下通信机制如图4所示。

3.2 节点的低功耗软件设计

因为井下各种压力传感器节点都采用电池供电,所以设计一种低功耗的工作方式十分重要,降低各个节点的功耗可以大大提高其工作寿命,提高系统可靠性,节约成本。低功耗软件分为CC2530调度程序、时间同步通信机制程序、无线收发程序3个部分。

CC2530调度程序采用中断的方式,相比于查询方式,中断方式的功耗更低。如果采用查询的调度方式读取AD转换数据,必须不停地读取I/O端口寄存器,从而提高了功耗,而采用中断方式时,主芯片不需要读取数据就直接进入待机模式,从而降低了功耗。

时间同步通信机制对于降低传感器节点功耗非常重要,无线数据的收发功耗非常大,为了节省电量,要尽可能地关闭节点射频模块,使其处于低功耗状态[5]。为了在尽可能短的时间内通信成功,就要对各个节点进行时间同步,使所有节点同时唤醒并进行数据收发,然后同时休眠,以保证功耗最低。

数据的无线发送与接收是功耗最大的部分,为了降低这部分的功耗,要考虑到节点因为故障不能收发数据的情况,将不能通信的节点转到单机模式,只采集而不发送数据,其他节点跳过该节点进行通信,节点工作流程如图5所示。

3.3 数据采集分站软件设计

数据采集分站主要有2个功能:数据处理与向下通信。向下通信功能相当于把分站看成一个压力传感器节点,软件设计与节点相同。数据处理功能包括数据的汇总、存储、显示和转发。为了更好地运用STM32F103VET6单片机,在分站中嵌入了μCOS II实时操作系统,利用其优先级保证系统的实时处理能力,增强系统的可靠性。根据具体的功能要求设计了相对应的任务优先级,如图6所示。

3.4上位机软件设计

上位机软件采用C#语言编写,配合使用SQL Server 2008进行数据存储。上位机软件包含用户管理功能、基本信息配置功能、实时数据显示功能、历史数据查询功能、报警功能、报表分析功能,并使用RS485串口与数据采集分站进行通信。

4 功耗测试

以矿用锚杆(索)应力传感器节点为例,测量节点各个状态的工作电流,传感器节点工作流程:被唤醒→采集数据→传输数据→睡眠。睡眠模式下节点工作电流理论值为1μA,节点在睡眠状态、采集状态、接收状态、发送状态、显示状态的电流I1—I5分别为0.001,12.8,35,53,45mA。

1个周期T内数据采集模块、数据显示模块、数据发送模块、命令转发模块、数据接收模块、指令接收模块的工作时间T1—T6分别为200 ms,5s,15ms,1.5 ms,2s,2s,节点处于睡眠状态的时间T7= T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。

按T=30min计算1个工作周期中单个节点所耗的电量为

因为T=30min,所以每天通信48次。假设在1d中,节点被查看数据10次,则1d中消耗电量为

由于顶板离层仪节点所使用的电池为ER14505,其参数为2.4A·h/3.6V,电池使用效率按80%计算,其可用电量Q=1.92A·h。结合式(2)可知,ER14505最长供电时间为750d。

经过一系列低功耗软硬件设计优化之后,传感器安装完成后能够使用750d,完全能够满足其工作需求。

5 结语

基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统可以对井下各种应力进行实时监测,提高了煤矿井下生产的安全性。该系统采用ZigBee无线通信方式和时间同步机制,降低了各个节点的功耗,提高了产品的使用寿命。

参考文献

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低功耗LED驱动电源设计 篇7

随着技术的进步和发展, LED工厂制造成本在不断地降低, 而不断地提升LED发光效率, LED已经加快替代传统照明。今后我国LED照明市场将会继续以更快的速度增长。随着电子产业发展、芯片集成化, 那么要求驱动电源功耗更加低, 因此LED产品研发企业对各种元器件提出了低功耗要求。目前, 随着单颗LED芯片功率与亮度等不断提升, 在散热技术不断优化的前提下, 半导体照明产品供应商都在积极开发更具优势的低功耗LED产品, 低功耗已成为市场卖点, LED则要使用相应的拓扑结构来进行配合。一般来说, 决定使用哪个LED拓扑结构的, 通常是输入电压、输出电压和隔离需求等因素。在输出输入电压不稳定的情况下, 使用降压或着升压的方法来应对是正确的选择。但是当输入输出电压处于较为稳定的情况下时, 选择机会变得比较困难, 所以希望通过本篇, 能够帮助大家积累这方面的知识, 同时本论文详细介绍低功耗LED驱动器的设计方法。

1 拓扑结构选择

LED照明电路的设计并不算难, 但是拓扑电路的选择往往会成为一个比较让人头疼的问题。在LED驱动电路当中, 经常会有变压的交流转换成直流电源, 其中包含了flyback converter、forward converter及half-bridge等拓扑结构。 其中凡是功率不超过30W, 我们都选flyback converter, 而超过30W则选用half-bridge。如果变压器采用隔离的话, 具体的大小是和它的频率f有关系, 一般是隔离型的LED电源, 我们基本上采用高频开关变压器。

图1是设计当中比较常见的一些直流驱动方式。这种方式和其他的方法来比较, 设计更加容易、成本更加低, 并且最大的特点是不受到EMC的干扰, 但也有不足, 就是需要稳定的电压、可靠的LED灯珠, 并且要求能效也很低。采用直流-直流的电源驱动, 在LED照明市场中, LED驱动方法有3种: (1) 有电阻型; (2) 线性稳压器; (3) 开关稳压器等, 在第一种驱动方式中, 改变与LED串联的电流检测电阻大小, 即可改变LED的正向电流, 第二种方式同样易于设计并且不会产生EMC问题, 还使电流稳定及过流时可以保护功能, 且可以设置外部电流点, 缺点在功耗大, 及输入电压要一定高于正向的电压, 且能效非常低。第三种方式是通过脉宽调制模块, 可以控制开关 (FET) 的开和关, 进而改变电流的大小。目前的LED驱动方式有下列5种拓扑类型:1) buck-mode;2) boost-mode;3) buck-boostmode;4) SEPIC和5) flyback-mode拓扑。

在图2 当中给出了三种比较常见的拓扑结构, 前两个为降压型, 最后一个为升压型。最前面的示意图所显示的buck稳压器要求:输出电压总体不超过输入电压的条件。在图中, buck稳压器会通过改变开关管的开启时间来改变电流大小。检测电流可通过检测电阻器两端的电压得到, 其中电阻器和LED是串联在一起。对于这种方式, 如何驱动开关是一个大的难题。如果使用需要浮动栅极驱动的N通道MOSFET, 那性价比会高很多, 不过需要一个驱动电源或浮动驱动模块。

但是这种方法实现会有一些缺点, 电流会比较高。如, 输入电压正好等于输入电压, 电感和电源高频开关产生的电流是两倍的输出电流。这是对效率和功耗非常不利。通常情况下, 图3 中的“buck或boost”拓扑将避免出现类似这些问题。在该电路中, buck功率级之后是一个boost。如果输入电压>输出电压, 则在升压级刚好有电流时, 降压级会控制电压。如果输入电压<输出电压, 则升压级会进行控制而降压级则通电。一般情况下, 我们让升压和降压存在一些重合区, 因此静电就不会产生 (从一个模型变成另一模型) 。

这种电路的优势, 就是当输入等于输出的电压时, 开关和电感器高频开关产生的电流也等于输出电流。电感纹波电流也很小。即使这种电路中有四个电源开关, 一般驱动效率也会大幅提高, 在LED应用中这一点非常重要。图3 中还显示了SEPIC拓扑, 此类拓扑对于场效应管要求较低, 但需要无源器件很多。它的优势在于场效应管接地简单。另外, 可将双电感合并成为一个耦合电感中, 用来大幅节省空间和成本。但是buck-boost拓扑一样, 它具有比“buck或boost”和PMW输出电流很高的开关电流, 这样导致RMS电流流过电容器电流很大。

在考虑降低功耗的基础上, 所有的提升效率就都是把安全排第一, 通常来说都会将输入和输出进行隔离。在LED照明市场中, 最具优势的解决方案是flyback-mode。它需要隔离拓扑的组件数非常少。变压器匝比可设计为buck、boost或buck-boost, 这样就使设计更加灵活。 但其缺点是要定制电源变压器。此外, 存在很大的应力在场效应管以及输入和输出电容器之间。在LED照明市场中, 为了实现功率因数校正功能, 可以使用较慢的反馈控制环路。通过改变平均LED电流大小, 来使输入电压同相的输入电流大小相等, 便可得PF值较大。

2 IC驱动芯片

当选反激式拓扑结构时, 我们可以选择SSL2101 芯片, 因为它元器件集成度较高, 外部的元件数量较少, 占电路板空间较小, 性价比较高, 为照明系统设计师设计高能效系统提供了关键硬件, 适合做反激式拓扑结构。下面我们举例SSL2101, 芯片SSL2101 实际上是一款低功耗的转换器和多芯片组件 (MCM:Multi - Chip Module) 切换式电源 (SMPS: Switching Mode Power Supply) 控制器。

SSL2101 应用LED驱动电源中的优点:

1内部集成了MOS, 降低了成本;2优化了MOS关闭时间, 降低损耗;3分压MOS和比较器使外部元件数量和尺寸减小;4MOS的智能分压作用降低功耗, 提升效率;5导热好, 降低功耗, 延长了使用时间。

3 关键元器件设计与计算

从图5 中可以看到, 这种拓扑结构为常用的反激电路, 它包含1滤波电路, 2RC震荡器电路, 3整流电路, 4VCC电源电路, 5检测电路, 6 调光电路, 7 母线电路8输出电路。下面介绍:

3.1 滤波电路:滤波电路的作用是提供过流和过压保护功能, 为电网总线进行整流。保护通过保险丝断开来实现, 只要熔丝或电流超过额定值。采用熔丝应该选熔断电流值较大, 并且能够承受浪涌。根据经验, 通常选用1~1.5A熔断电流。如熔阻器的阻值可以计算, 可按下式:

本论文以总电流为20A, 总电压为220 V (50Hz) ±20%, VAC ( max) =264V计算, 得R1=14.5, 取最接近标称值15。R1的功耗必须连续, 才能按下计算:

式中Ccrestfactor时计算系数, 为电流的均方根值除以平均值。本论文以总线电压220 V, Ptot=14W, R1=15 , Ccrestfactor=3.5 计, 得PR1=290m W。加入C1=390p F, L1=1.9m H用来增加滤波, 并且可以防止输入电压尖峰的保护功能。通过4 个整流二极管D1-D4 的PK电流可按下式计算:

本例总线电压以220 V (50Hz) ±20%, R12=300 , R1=15, R4=1 计, 得PK电流为2A。

3.2 RC震荡器电路:变压器输入功率是可以控制的, 其大小通过转换器和RC最高频率来计算得到。输出和辅助电路的功耗及变压器功耗总的加起来就等于变压器输入功率。按下式可以将变压器的初级电感计算出来:

Lp=变压器初级电感;Ip (peak) =初级电流峰值;Pin (trans) =变压器输入功率;fconv (nom) =变换器标称频率。

Lp=变压器初级绕组电感;Cp=变压器初级电容。

另外, 变压器的主边电容不仅由主绕组, 还由场效应管的漏极、缓冲二极管和整流二极管除, 由变压器原边和副边的线圈匝比来控制:

因此在最低电压下出现副边关闭后:

转换期的额定频率的周期则为 (δT+δ2T) =9Us, 在检测最低电压时, 通常时间为9.5μs, 从而可以看出转换期的频率应该为101k Hz。

转换期的振荡频率是由电阻R9 和电容C7 并联构成。当给电容一直上电至VRC ( max) =2.1V, 放电到VRC ( min) =68m V。电容上电时间非常快, 约1μs;放电时间非常长, 通常放电时间我们按照tdischarge=3.5×rc时间常数计算。它的值可以通过这个公式计算:

按照这个方法我们可以出R9 于C7 的值。因为场效应管的漏极电压会对RC振荡器又比较大影响, 谐振电容C7选择最好是>300p F;如果要提升效率的话, C7 尽量选<1n F。

本论文是采用额定频率为101k Hz来算, 并规定RC时间常数为1.88μs, 另外需要接R9=2.7k和C7=470p F通过以上计算可到满足要求。

减小RC谐振频率可以实现dimming。R8 与R9 的比值控制频率变化的范围。考虑到控制定时容差, R8 最好是<150k。如果dimming从1%~95%, RC谐振频率需要从101k Hz降至5k Hz, 对应的R8 则为95k, 典型的电阻值是100k。

3.3 整流电路:它是有阻尼D5 和D4 整流二极管组成, 我们可以通过以下计算得到:

Vzener=VDRAIN (max) -Vbuff (max) -25;Vzener=SSL2101 内部集成功率MOS管的击穿电压;VDRAIN ( max) =最高漏极电压, 约600V;Vzener=600-384-25=191V。因此这个D二极管可以选200V。

3.4 VCC电源电路:它是由c6, D7、电阻R5 和齐纳保护二极管D8 构成, 从而从集成电源vcc供电, 它的大小由主边和副边线圈匝边来决定, 同时也会受最低频率影响:

m=次级与辅助绕组匝比;Na=辅助绕组匝数;Ns=次级绕组匝数;Vaux=辅助绕组两端产生的电压;VD6=次级绕组两端产生的电压;Vled=LED灯链两端的电压。

本论文d8 选用80v二极管, VAux=30V。因此得到Vled=5×5=25V, VD6=0.7V, 则m=30/ (25+0.7) = 0.9, 由此可以知道, 如果副边匝数NS=47 时, 辅助绕组NAUX=0.9×47=45。通过以下公式计算得到R5 的值:

限流二极管D7 选择正向电流和反向电压比较大的, 开关速度可以根据工作频率来选择, 变压器主边和副边匝数比、缓冲电路中最高电压决定选择不同的反向电压值:

论文IVCC=3m A, 如果纹波电压 ΔVCC=150m V, fmin=5k Hz, 则C6=0.003/ (0.15×5000) =4μF。

3.5 检测电路:检测电路是用来调光电流大小和改变调光倍率用的。比较低的负载需要比较高的分压值。对于此芯片来讲, 当强分压的引脚电压<52Vin ( Sbleeder) 时, 就会打开开关。对于LED使用了调光器来说, 通常会选强分压电阻R10 为2。维持电流一般是弱分压。只要电流下降到250m V的Vin ( low) Isence以下时, 就会关闭分压开关;当电流通过时, 电压一直升到Vin ( High) Isence以上时, 就会重新打开开关。

3.6 调光电路:母线总电压和平均电容决定了调光大小。当电压降到输入与芯片PWM限定管脚的电压时。两个端电压会出现平衡, 因为芯片PWM限定管脚电压, 经过变压器的PK电流值会变小, 因此可以去掉一些噪音。

3.7 母线电路:母线电路保护1 个电感和2 个电容, 有两个作用:1为了保证电流的连续性, 有储藏能量功能;2减小纹波电压。但是必须满足缓冲电路电压最小值:

缓冲电路中电压从max值一直降到最小, 电容的放电时间可以从以下公式计算出来:

fnet=电网总线频率;

母线电压为220V (50Hz) , 缓冲电路电压最小值190V, 计算得电容放电时间为6.8ms。缓冲电路总电容可以根据以下公式计算出来:

论文中fconv=101k Hz, C3=C4=1.5μF, 从而L2=150μH。

3.8输出电路设计:转换器中的能量都存在电感和电容的谐振回路中。变压器主边两端加有钳位以防止芯片内置场效应管在关断瞬间, 漏极出现高电压, 大电流。LED输出电流大小和输出路数决定输出的元器件数量。可以通过调节缓冲电路中的C5来调节输出电流:

Iled=流经LED灯链的电流;ΔI=LED灯链电流的变化;fconv ( nom) =功率变换器标称频率;R=LED灯链的串联电阻。

如果输出电路里有20 个正向电压VF=3V的LED, 输出300m A电流, 可以承受20%纹波, 当额定频率为50k H时, 输出电压电压为20×3=60V。根据LM80 报告可以得到, 每个LED在300m A的微分电阻为0.5, 这样可以计算出总的电流为20 ×0.5 =10, 从而得到电容C5 =20 ×1/ (100000×5) =40μF。

为了减小变压器原边和副边的寄生电容, 同时可以消除原边, 副边分别和地之间的寄生电容, 我们接入C9, 它的大小远远高于这些寄生电容。根据以前实践的结果, 寄生电容值通常为50-150Pf, C9 最好取1Nf。

至此, 全部电路元件和相关电参数设计均已计算。

4结论

通过以上计算和设计, 可以使LED设计更加简单, 通过准确计算可以让工程师选择元器件参数更加方便, 避免研发工程师去摸索拓扑结构, 选择不同的芯片方案, 花很长时间调试, 从而缩短研发周期, 提高研发效率, 另外由于集成度高, 成本也可以降低。由于在撰写本设计论文的准备和时间上的仓促, 本次只能在设计低功耗LED原理和关键器件上做了论述, 未考虑设计中的风险评估和测试认证做详细的阐述。本论文的设计思想和方法都是现有的, 可行性和可靠性在量产中得到验证, 是一款成熟低功耗调光LED产品。

参考文献

[1]李金伴, 李捷辉, 李捷明.开关电源技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[2]张培忠, 李雄杰.实用电源分析设计与制作[M].北京:电子工业出版社, 2015.

低压低功耗 篇8

制胜利器

Energy Micro公司采用ARM誖CortexTM-M3架构的第一款32位Gecko产品于2009年10月推出, 它消耗的能量仅为其他8位、16位或32位微控制器的四分之一。应用基准测试证实了Gecko微控制器可将电池寿命延长至少4倍。在同年举办的Embedded World2010展会上, 该公司的EFM誖32Gecko节能微控制器击败了Atmel、ST和东芝等强劲竞争对手, 获得了“32位微控制器节能Embedded硬件奖”。

目前, Energy Micro公司的产品包括Gecko和Tiny Gecko系列。所有这些产品都秉承“低功耗”这一设计理念。针对这一点, Energy Micro公司全球市场营销部副总裁Andreas Koller总结了十大原则:极低的工作功耗、降低处理时间、快速唤醒时间、超低待机电流、CPU睡眠时外设可自主运作、高度可配置性、丰富的可选能量模式、超节能的外设、先进的功耗监测模块以及操作灵活的开发套件。

Andreas Koller表示:“我们极度关注32位MCU产品在能源计量、家居自动化、安全报警系统和医疗电子等目标市场的应用。这些应用要求产品在无需外部电源供应的情况下可以长时间运行, 因此节能是首要考虑的问题。我们的产品具有独特的架构, 所有的模块及周边设计都考虑节能因素, 从而降低了产品整体功耗。”

扩充内存应用产品

近日, 针对于具有高内存要求的能源敏感应用, Energy Micro公司公布了将于2011年面世的EFM誖32 Giant Gecko微控制器产品线的细节。该系列产品共有48款32位微控制器, 可提供64 KB、128 KB、256 KB、512 KB和1 024 KB的快闪记忆块和32 KB或128 KB的闪存块。该微控制器的引脚和软件与现有的Gecko产品线兼容, 这意味着设计师可以利用现有的Gecko微控制器来开发产品, 并在生产较高记忆部分时转到Giant Gecko上。

与Gecko和Tiny Gecko微控制器相同, Giant Gecko系列微控制器同样围绕节能的ARM誖Cortex TM-M3处理器架构, 唤醒时间仅为2μs, 深度睡眠模式下电流消耗仅为900 nA, 关闭模式下为20 nA, 这些微控制器可将标准电池寿命延长300%。

Giant Gecko系列产品的嵌入式USB连接符合全速的USB2.0规范, 结合2 KB的端点缓冲区能处理多达10个端点。它将为USB主机、活跃配置以及USB引导装入器提供支持。Giant Gecko提供的额外扩展通讯包括双I2C和多达5个USART UART串行接口。

Giant Gecko的节能外围设备包括一个8通道、12位的ADC, 采用200μA全分辨率和1 MS/s转化率, 一个4×40部分的LCD控制器, 使用900 nA和特殊的低能量UART, 在9 600 baud时仅消耗100 nA。此外, 对于无线加密/解密, 它可提供一个128/256位的AES加速器块。